La replicación del ADN es el proceso por el cual una molécula de ADN se copia para producir dos moléculas idénticas, con la misma secuencia de bases que la original. Es la base molecular de la herencia y un requisito para la reproducción, el crecimiento de los organismos multicelulares y la renovación de tejidos como la piel o el epitelio intestinal. Antes de cada división celular, todo el genoma debe duplicarse fielmente para que las dos células hijas reciban una copia completa.
El mecanismo se apoya en dos ideas fundamentales: la replicación es semiconservativa —cada molécula hija conserva una cadena parental y una cadena nueva— y se basa en el apareamiento complementario de bases (A-T, C-G). Propuesto por Watson y Crick en 1953 y verificado por Meselson y Stahl en 1958, este principio garantiza una precisión extraordinaria al copiar la secuencia.
Mecanismo y modelo semiconservativo
Modelo semiconservativo
En la replicación semiconservativa, la doble hélice se abre y cada cadena parental sirve de molde para sintetizar una cadena complementaria nueva. El resultado son dos moléculas hijas, cada una compuesta por una hebra original heredada y una hebra recién sintetizada. La complementariedad estricta —A se aparea con T por dos enlaces de hidrógeno y C con G por tres— asegura que cada nucleótido nuevo coincide con su molde y que la secuencia original se reproduce con muy pocos errores.
El experimento de Meselson y Stahl
Cultivando Escherichia coli durante varias generaciones en un medio con nitrógeno pesado (15N), Matthew Meselson y Franklin Stahl marcaron todo el ADN bacteriano. Después transfirieron las bacterias a un medio con nitrógeno ligero (14N) y extrajeron el ADN tras una y dos divisiones, separándolo por densidad mediante centrifugación en gradiente de cloruro de cesio. Tras la primera división apareció una sola banda intermedia entre 15N y 14N; tras la segunda, dos bandas: una intermedia y una ligera. Este resultado descartó el modelo conservativo y el dispersivo, y confirmó que la replicación es semiconservativa.
Helicasa y ADN polimerasa
Dos enzimas concentran la actividad principal de la replicación. La helicasa se desplaza a lo largo del ADN rompiendo los enlaces de hidrógeno entre las bases complementarias y separando las dos cadenas, lo que genera una estructura en forma de Y llamada horquilla de replicación. La ADN polimerasa añade después nucleótidos libres, complementarios a la cadena molde, uniéndolos mediante enlaces fosfodiéster. Cada nucleótido se incorpora al extremo 3' de la cadena en crecimiento, de manera que la síntesis avanza siempre en sentido 5'→3'.
PCR y electroforesis en gel
El conocimiento de la replicación ha permitido reproducirla en el laboratorio. La reacción en cadena de la polimerasa, o PCR, amplifica in vitro un fragmento de ADN hasta producir millones de copias en pocas horas, repitiendo tres pasos a temperaturas controladas en un termociclador.
El calentamiento rompe los enlaces de hidrógeno entre las cadenas de ADN, separando la doble hélice en dos cadenas sencillas que servirán de molde.
Al bajar la temperatura, los cebadores —secuencias cortas de ADN complementarias a los extremos de la región de interés— se unen por apareamiento de bases a cada cadena molde, delimitando el fragmento que se va a amplificar.
La Taq polimerasa, una ADN polimerasa termoestable aislada de la bacteria termófila Thermus aquaticus, añade nucleótidos al extremo 3' de cada cebador y sintetiza la cadena complementaria al molde. Al repetir el ciclo, el número de copias se duplica en cada vuelta, creciendo de forma exponencial.
Una vez amplificado, el ADN se analiza por electroforesis en gel. La muestra se deposita en pocillos de un gel de agarosa y se aplica un campo eléctrico: como el esqueleto fosfato del ADN tiene carga negativa, los fragmentos migran hacia el polo positivo. Los fragmentos más cortos atraviesan la malla del gel con mayor facilidad y avanzan más rápido, de modo que el ADN queda separado por tamaño y forma bandas visibles tras la tinción.
Estas técnicas combinadas tienen aplicaciones muy diversas: análisis forense a partir de muestras minúsculas, pruebas de paternidad, diagnóstico de enfermedades genéticas e infecciosas y estudios filogenéticos. La fiabilidad de un análisis aumenta con el número de marcadores comparados, porque la probabilidad de una coincidencia falsa cae cuanto mayor es el número de regiones independientes que coinciden entre dos muestras.
En NM debes explicar con claridad que la replicación es semiconservativa, que se basa en la complementariedad A-T y C-G y que helicasa y ADN polimerasa son las dos enzimas centrales. Conviene saber esbozar los tres pasos de la PCR (desnaturalización, alineamiento, extensión) y por qué se usa Taq polimerasa. En NS, distingue siempre la cadena conductora (continua, un cebador) de la discontinua (fragmentos de Okazaki, muchos cebadores) y atribuye cada función enzimática a la enzima correcta: primasa cebadores, polimerasa III elongación, polimerasa I retira cebadores, ligasa sella. Para preguntas sobre direccionalidad, justifica que la síntesis 5'→3' deriva de que la polimerasa solo une el fosfato 5' entrante al hidroxilo 3' existente.